Авторы: В.И. Бурлаков, А.М. Кузнецов, К.А. Кузнецов, М.А. Васильев, А.И. Бондаренко (АО «ИркутскНИИхиммаш»)

Опубликовано на портале «Химическая техника», август 2019

В статье приведен пример реализованной возможности продления безопасной эксплуатации подогревателя питательной воды после выявленных в нем в процессе эксплуатации недопустимых повреждений в виде трещин, и их устранения посредством разработанных инженерных решений, направленных на обеспечение работоспособного состояния указанного аппарата. Описывается общий порядок и содержание выполненного ремонта, согласно разработанным технологическим решениям и действующим нормативным документам, качество реализации которого подтверждены проведенными комплексным контролем и испытаниями.

При эксплуатации подогревателя агрегата синтеза аммиака в сварных соединениях кольцевого шва приварки обечайки к трубной решётке, швов вварки штуцеров А1 и В1, а также швов приварки перегородки к обечайке и трубной решётке распределительной камеры высокого давления обнаружены недопустимые повреждения в виде трещин.

Подогреватель питательной воды (далее по тексту – подогреватель) изготовлен в сентябре 2014 г. в одной из зарубежных фирм и поставлен на нефтеперерабатывающее предприятие нашей страны.

Корпус распределительной камеры высокого давления трубного пространства (Dвн = 1290 мм, толщина стенки 135 мм), трубная доска (Dнар = 1560 мм, толщина 446 мм), фланец и крышка выполнены из стали ASME SA-336 Gr.F22.Cl.3 (C = 0,09 %, Si = 0,18 %, Mn = 0,33 %, Cr = 2,07 %, Mo = 0,96 %, Ni = 0,31 %, Cu = 0,12 %, Al = 0,029 %, V = 0,012 %, P = 0,007 %, S = 0,004 %, твердость НВ 205).

В корпус распределительной камеры вварены два штуцера А1 и В1, изготовленные из стали ASME SA-336 Gr.F22.Cl.3.

Для корпуса межтрубного пространства (Dвн  = 1260 мм, толщина стенки 70 мм) c полусферическим днищем             (Dвн = 1260 мм, толщина стенки 34 мм) применена сталь ASME SA516/70. В корпус межтрубного пространства вварены два штуцера А2 и В2 из стали ASME SA-105. Вид и конструкция аппарата представлены на рис. 1.

Рис. 1. Вид и конструкция подогревателя

Подогреватель эксплуатируется при следующих рабочих параметрах:

  • в распределительной камере высокого давления: р = 20,68 МПа, Т = 275/183 °С, среда – синтез газ, класс опасности 4, взрывоопасная, пожароопасная;
  • в межтрубном пространстве корпуса: р = 11,0 МПа, Т = 132/243 0С, среда – питательная котловая вода.

В соответствии с ПБ 03-584-03 [1] подогреватель относится к первой группе.

После двух лет эксплуатации подогревателя в кольцевом шве, соединяющем трубную решётку с обечайкой распределительной камеры трубного пространства, выявлена сквозная трещина длиной ~50 мм по наружной поверхности, ориентированная поперек шва.

Рис. 2. Вид трещины в кольцевом шве приварки обечайки распределительной камеры к трубной решётке (наружная поверхность):
а, б – вид трещины по наружной поверхности; в – вид трещины с внутренней поверхности

При вскрытии крышки корпуса распределительной камеры на внутренней её поверхности при ВИК к ПВК и УК в кольцевом шве дополнительно выявлено четыре поперечные трещины на участке шва длиной около 250 мм и две трещины в верхней части шва (рис. 3), а в шве вварки верхнего штуцера А1 на впуске – 10 поперечных трещин, протяженных по толщине стенки и на различном удалении друг от друга (рис. 5). В сварном соединении вварки нижнего штуцера В1 на выходе обнаружено четыре участка шва с поперечными трещинами (рис. 6). Кроме того, в швах приварки перегородки (см. рис. 1, поз. 31) распределительной камеры к обечайке и трубной доски также выявлено 32 участка шва с поперечными трещинами (см. рис. 4, 6). Все трещины ориентированы поперёк шва.

Рис. 3. Вид трещин в кольцевом шве приварки обечайки распределительной камеры к трубной решётке (внутренняя поверхность)

 

Рис. 4. Вид трещин в шве приварки перегородки к обечайке и трубной решётке распределительной камеры (внутренняя поверхность)
Рис. 5. Вид трещин в сварном шве вварки штуцера А1 в обечайку распределительной камеры подогревателя (внутренняя поверхность)
Рис. 6. Вид трещин в шве вварки штуцера В1 в обечайку распределительной камеры подогревателя (внутренняя поверхность)

На основании анализа результатов контроля и выявленных дефектов в сварных соединениях совместно с техническими специалистами службы главного механика и службы ремонта нефтехимического предприятия было принято решение о необходимости ремонта корпуса распределительной камеры высокого давления  подогревателя в следующем порядке:

  • в кольцевом сварном соединении приварки обечайки к трубной решётке распределительной камеры, в шве вварки нижнего штуцера В1 участки металла шва с трещинами и в швах приварки перегородки распределительной камеры к обечайке и трубной решётке вышлифовать механическим способом или высверлить и/или выфрезеровать до полного их исчезновения с формированием разделки кромок в выборке. Выборки заварить ручным электродуговым способом с применением аустенитных электродов с высоким содержанием никеля (ОЗЛ-25Б по ТУ 1273-101-36534674-98 или ОК-92.45 по классификации ENiCrMo-3/AWS A5.11), без проведения послесварочной термообработки. Сквозную трещину в кольцевом шве высверлить, а в полученное отверстие (диаметром 53 мм – ширина металла шва, пораженного трещиной) вварить глухой стакан, изготовленный из поковки сталь 22Х3М;
  • в верхнем шве вварки штуцера А1, имеющем десять глубоких трещин, вышлифовку дефекта осуществлять с внутренней и наружной поверхностей корпуса камеры, а выборки заварить перлитными электродами марки BÖHLER FOX CM 2Kb, или марки Phoenix SH Chromo 2KS, или марки ОК 76.28 с последующей местной термообработкой шва. Для проведения термообработки ремонтных участков шва вварки верхнего штуцера А1 была привлечена организация, специализирующаяся на термической термообработке сосудов и аппаратов.

Ремонт корпуса подогревателя выполнялся в соответствии с требованиями ФНП [2, 3], ПБ [1], ГОСТ Р 54803-2011 [4], СТО 00220227-005-2009 [5] и разработанных технологических рекомендаций.

Форма и размеры разделки кромок в выборке после удаления дефектного участка шва в сварных соединениях подогревателя приведены на рис. 7.

Заварка выборок в шве вварки штуцера А1 на внутренней поверхности выполнялась поочерёдно на диаметрально противоположных участках шва (рис. 7, г). С наружной поверхности шва вварки штуцера А1 сварка осуществлялась одновременно двумя сварщиками на диаметрально противоположных участках ремонтируемого шва.

В процессе заварки чашеобразных и эллипсообразных выборок (рис. 7, е) направление сварки в каждом последующем слое менялось на взаимно-перпендикулярное относительно нижележащего слоя. По завершению заварки выборки облицовочные слои накладывались вдоль ремонтируемого шва.

Рис. 7. Форма и размеры разделки кромок в выборке после удаления дефектного участка шва в сварных соединениях подогревателя

После заварки всех выборок с наружной и внутренней поверхности ремонтное сварное соединение вварки штуцера А1 в корпус подогревателя было подвергнуто местной термической обработке – высокотемпературному отпуску   (Т =  710….730 °С, время выдержки – 6…7 ч). Термическая обработка производилась непосредственно после окончания сварки, при этом не допускалось снижение температуры подогрева.

В кольцевом шве распределительной камеры в шве вварки штуцера В1, а также в местах шва приварки перегородки к обечайке и трубной решётке механическим способом удалялись участки шва с трещинами. При удалении дефектного участка шва в выборке также формировалась чашеобразная или эллипсообразная выборка, где больший диаметр эллипса располагался вдоль шва, а малый – по ширине шва с заходом в основной металл обечайки или с разделкой кромок в выборке под сварку в соответствии с рис. 7. При подготовке кромок в выборках и в разделке после механической обработки обеспечивалась поверхность шероховатостью Rz 40 по ГОСТ 2789-73 [6]  .

В процессе удаления участка шва с трещиной проводились ВИК и ПВК с целью подтверждения полноты удаления трещины на боковых поверхностях выборки. Глубина выборки была на 1…2 мм больше глубины распространения трещины.

В кольцевом шве приварки обечайки к трубной решётке с наружной поверхности в средней части длины сквозной поперечной трещины (см. рис. 2, 3) по ширине шва с трещиной 51 мм выполнена зацентровка участка и последующая засверловка (сверло диаметром 20…25 мм) на полную толщину стенки обечайки. Полная высверловка металла с трещиной до получения сквозного отверстия диаметром 53 мм выполнена путём последовательной замены свёрл меньшего диаметра сверлами больших диаметров через каждые 4…5 мм в шве.

После высверловки в отверстии механическим способом выполнена подготовка кромок под сварку в соответствии с рис. 8 и произведён ПВК поверхности кромок и отверстия на отсутствие дефектов в виде трещин, расслоений.

При положительных результатах контроля подготовленных поверхностей кромок и отверстия глухой стакан устанавливали в отверстие (рис. 8) с закреплением сборки тремя равноудалёнными прихватками длиной 10…15 мм и высотой 2,5…3 мм. Вварка стакана в корпус распределительной камеры с наружной и внутренней поверхности производилась ручной дуговой сваркой на постоянном токе обратной полярности с применением  высоконикилевых электродов марки ОЗЛ-25Б по ТУ 1273-101-36534674-98 (допускается ОК-92.45 по классификации ENiCrMo-3/AWS A5.11) без последующей термообработки.

Рис. 8. Схема сборки и вварки глухого стакана в корпус распределительной камеры подогревателя

 

Вид вваренного глухого стакана в сборе в корпус распределительной камеры в/д подогревателя показан на рис. 9.

Качество сварного соединения на ремонтном участке кольцевого шва вварки штуцера А1 корпуса камеры высокого давления подогревателя, выполненного перлитными сварочными электродами, контролировалось следующим образом:

  • ВИК — 100% длины ремонтного участка шва;
  • ПВК — 100% длины ремонтного участка шва;
  • УК — 100% длины ремонтного участка шва;
  • стилоскопирование металла шва в месте ремонта;
  • измерение твердости металла шва и зона термического влияния в месте ремонта;
  • механические испытания и металлографические исследования контрольного сварного соединения.
Рис. 9. Вид вваренного глухого стакана в сборе в корпус распределительной камеры высокого давления подогревателя

Для механических испытаний и металлографических исследований из контрольного сварного соединения, заваренного каждым сварщиком, участвующим в сварке ремонтных мест в шве вварки штуцера А1 и при изготовлении патрубка (стакана), изготавливаются и испытываются образцы.

Качество сварного соединения, выполненного аустенитными электродами в местах ремонта швов вварки стакана, заваренных выборок в шве вварки штуцера В1, заваренной выборки на внутренней поверхности шва приварки обечайки к трубной решётке и швов приварки перегородки к обечайке и трубной решётке корпуса камеры высокого давления подогревателя контролировались следующим образом:

  • ВИК — 100% длины ремонтного участка шва;
  • ПВК — послойно, через каждые 10 мм высоты заполнения разделки – 100% длины ремонтного участка шва;
  • стилоскопирование металла шва в месте ремонта;
  • измерение твердости металла шва и зоны термического влияния в месте ремонта;
  • два макрошлифа, изготовленных из контрольного сварного соединения, выполненного каждым сварщиком, производившим вварку стакана и заварку выборок на корпусе камеры подогревателя аустенитными электродами.

В соответствии с требованиями документов [1, 4, 5], подогреватель питательной воды был подвергнут пневматическим испытаниям на прочность с условием одновременного контроля методом АЭ.

Подогреватель допущен на ограниченный срок эксплуатации – не более 2 лет. При этом в процессе эксплуатации требуется периодически осуществлять мониторинг корпуса распределительной камеры высокого давления с применением метода акустической эмиссии. Данное требование обусловлено тем, что при изготовлении подогревателя в процессе проведения термической обработки неремонтируемые участки кольцевого шва приварки обечайки к трубной решётке и шва вварки штуцера В1 в обечайку распределительной камеры высокого давления были не доотпущены по температуре отпуска, что привело к возникновению поперечных трещин в швах, а ремонт этих соединений с недотермообработанным сварным соединением выполнялся аустенитными сварочными электродами. В сварных соединениях, в тех участках заводского шва, где не проводился ремонт, или по границам контакта с аустенитными наплавками, при дальнейшей эксплуатации подогревателя не исключена вероятность появления подобных трещин.

Таким образом, предложенные инженерные решения по ремонту аппарата позволили продолжить безопасную эксплуатацию подогревателя, но при соблюдении условия ведения мониторинга технического состояния отремонтированных и смежных с ними мест.

 

Список литературы: 

  1. ПБ 03-584- Правила проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных. М., 2003.
  2. ФНП «Правила промышленной безопасности опасных производственных объектов, на которых используется оборудование, работающее под избыточным давлением». Утв. Приказом Ростехнадзора от 25.03.2014 N 116 (ред. от 12.12.2017).
  3. ФНП «Требования к производству сварочных работ на опасных производственных объектах». Утв. Приказом Ростехнадзора от 14 марта 2014 г. № 102.
  4. ГОСТ Р 54803-11. Сосуды и аппараты стальные сварные высокого давления. Общие технические требования.
  5. СТО 00220227-005-2009. Сосуды и аппараты стальные сварные высокого давления. Общие технические требования.
  6. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики.